Economic analysis of water use and management in the Middle Drâa valley in Morocco

Abstract

In arid and semi arid regions of the world irrigation is crucial for agricultural production as it stabilizes the water supply for crops and, hence, prevents extreme fluctuations in production and prices. In the Drâa river basin in southern Morocco agricultural production is highly dependent on irrigation as precipitation rates are not sufficient for crop water requirements. The objective of the thesis is to analyze the economic impact of water use on agriculture for the Middle Drâa river basin. The thesis develops an integrated approach for water management of the six Drâa oases and contributes to the discussion of the impact of climate change and water shortage on the income situation of the farmers in arid regions. At first an introduction to the economics of water management and a methodological background for this study is given. This is followed in Chapter 2 by an analysis of water resources and water management in the Drâa valley. Ground- and surface water use and their interactions constitute a complex system of conjunctive water use between the six oases. Chapter 3 analyses agricultural production which is an important activity in the region. Survey data is used to understand farmer’s production structure and strategies under water scarcity which confirmed that water is the major production constraint.<br /> The thesis proceeds along four papers in which a model is developed and applied for policy analysis. The model maximizes farm income over all oases under water resource constraints. In order to realistically represent the situation, the conjunctive use of surface and groundwater and their interactions are endogenously modeled. In the first paper in Chapter 4 the model is applied in a recursive-dynamic evaluation to assess the impact of groundwater charges on agricultural water use. The paper concludes that groundwater pricing stabilizes water availability and groundwater tables over years. The second paper in Chapter 5 builds upon Chapter 4 and compares surface and groundwater pricing and a combination of the two options. The relationships between water use and income are analyzed in detail. The chapter concludes that groundwater pricing is a favorable option as the stabilization function of groundwater can thus be internalized. In the third paper in Chapter 6 the model is further extended to incorporate water quality being an important constraint to crop yield formation. Sensitivity analysis is conducted to distinguish the effects of water deficit and salt rates in irrigation water. The fourth paper in Chapter 7 addresses the impact of climate change on the income situation considering water quantity and water quality. Water inflow distributions are estimated based on historical data and climate change scenarios and are introduced into the model as a random variable to capture the stochastic nature of surface water availability. Monte Carlo technique is applied to obtain water use, farm income and the stabilization value of groundwater for current and for future climatic conditions. In the end of the thesis the major findings are summarized and recommendations for future research of water management are given.

<strong>Ökonomische Analyse der Wassernutzung und des Wassermanagements im Mittleren Drâa-Tal in Marokko</strong><br /> In ariden und semi-ariden Gebieten der Erde ist Bewässerung für die landwirtschaftliche Produktion entscheidend, um Wasserverfügbarkeit zu gewährleisten und Preise und Produktion zu stabilisieren. Im Drâa-Einzugsgebiet im südlichen Marokko ist die Landwirtschaft abhängig von der Bewässerung, da der Niederschlag den Bewässerungsbedarf der Pflanzen nicht decken kann. Ziel dieser Arbeit ist die Auswirkungen von Wassernutzung auf das landwirtschaftliche Einkommen im Mittleren Drâa-Tal zu analysieren. Die Dissertation entwickelt einen integrierten Ansatz für das Wassermanagement im Drâa-Tal und trägt zur Diskussion über die Auswirkungen von Klimawandel und Wasserknappheit auf landwirtschaftliche Einkommen in trockenen Regionen bei. Zu Beginn der Arbeit wird ein Überblick über ökonomische Aspekte von Wassermanagement gegeben sowie die verwendete Methodik eingeordnet. Danach werden in Kapitel 2 Wasserressourcen und Wassermanagement untersucht. Kapitel 3 analysiert die landwirtschaftliche Produktion, die eine wichtige wirtschaftliche Aktivität in der Region darstellt. Die Ergebnisse einer Befragung werden ausgewertet, um das Produktionssystem und die Strategien der Landwirte unter Wasserknappheit zu verstehen. Anschließend folgen vier Artikel, in denen das Modell entwickelt und zur Analyse von Politikoptionen angewendet wird. Das Modell maximiert landwirtschaftliches Einkommen der Oasen unter knappen Wasserressourcen. Die gemeinsame Nutzung von Oberflächenwasser und Grundwasser und ihren Interaktionen wird endogen abgebildet. Im ersten Artikel in Kapitel 4 werden rekursiv-dynamische Berechnungen durchgeführt, um die Auswirkungen einer Grundwassersteuer auf die landwirtschaftliche Wassernutzung zu untersuchen. Die wichtigste Schlussfolgerung des Kapitels ist, dass eine Grundwassersteuer die Wasserverfügbarkeit und die Grundwasserstände stabilisiert. Der Artikel in Kapitel 5 baut auf Kapitel 4 auf und vergleicht eine Grundwassersteuer mit einer Oberflächenwassersteuer und einer Kombination aus beiden. Aus den Ergebnissen wird deutlich, dass eine Grundwassersteuer die bevorzugte Variante für die Ressourcennutzung und das landwirtschaftliche Einkommen darstellt. Im dritten Artikel in Kapitel 6 wird die gemeinsame Nutzung von Oberflächen- und Grundwasser um den Aspekt der Wasserqualität erweitert. Sensitivitätsanalysen werden durchgeführt, um den Effekt der Wasserknappheit von dem Effekt der Salzkonzentration im Bewässerungswasser zu unterscheiden. Im letzten Artikel in Kapitel 7 werden die Auswirkungen des Klimawandels auf das Einkommen der Landwirte unter Berücksichtigung von Wasserqualität und Wasserquantität untersucht. Die Verteilung der Stauseezuflüsse wird basierend auf historischen Daten und Niederschlagsdaten aus den Klimaszenarien geschätzt und anschließend als Zufallsvariable in das Modell integriert. Unter Verwendung von Monte Carlo Simulationen werden Wassernutzung, Einkommenseffekte und Stabilisierungswerte von Grundwasser für derzeitige und zukünftige Situationen diskutiert. Am Ende werden die wichtigsten Erkenntnisse der Arbeit zusammengefasst und Empfehlungen für weitere Forschungsmöglichkeiten gegeben.

<strong>Analyse économique de l’utilisation et de la gestion de l’eau dans la vallée du Drâa Moyen au Maroc</strong><br /> Dans les régions arides et semi-arides l’irrigation des cultures est essentielle pour la production agricole, pour stabiliser la disponibilité de l’eau et par conséquence pour stabiliser les prix et la production. Dans le basin versants du Drâa au sud du Maroc la production agricole est dépendante de l’irrigation parce que le taux de précipitations n’est pas suffisant pour les besoins en eau des cultures. Le but de cette étude est d’analyser l’impact économique de la disponibilité de l’eau et des changements climatiques pour la vallée du Drâa Moyen. Au cours de cette étude, un outil d’évaluation intégré pour la gestion de l’eau dans la vallée du Drâa a été développé. Les stratégies analysées dans cette thèse apportent leurs contributions à la discussion sur l’impact des changements climatiques et des pénuries d’eau sur les revenus des agriculteurs dans les régions arides.<br /> En début de thèse, une introduction sur les aspects économiques de la gestion de l’eau est présentée aussi qu’un classement de la méthodique utilisé. Ensuite dans le Chapitre 2 les ressources en eau et la gestion de l’eau sont analysées. L’irrigation est assurée par deux sources principales: l’eau de surface provenant des lâchers de barrage et l’eau souterraine des nappes phréatiques. Ensuite la gestion de l’eau au niveau nationale et locale est comparée.<br /> Le Chapitre 3 étudie la production agricole, une activité importante dans la région. Les données de l’enquête permettent d’analyser les pratiques culturales des agriculteurs et les stratégies utilisées en cas de pénurie d’eau. L’enquête confirme que l’eau est la principale contrainte pour la production agricole dans la région.<br /> Ensuite, quatre articles individuels succèdent dans lesquels le modèle est développé et appliqué pour les analyses politiques. Le modèle maximise les revenus agricoles pour tous les oasis en considérant les contraintes principales : l’eau et la surface agricole. Dans le but de donner une image réaliste de la situation, les interactions entre l’eau de surface et l’eau souterraine sont modélisées endogène.<br /> Dans le premier article (Chapitre 4), les simulations récursive-dynamique sont utilisées pour analyser l’effet d’une charge de l’eau souterraine sur l’utilisation de l’eau d’irrigation. La conclusion le plus importante est que la tarification de l’eau souterraine peut stabiliser la disponibilité de l’eau et le niveau de la nappe phréatique.<br /> L’article dans le Chapitre 5 compare un charge de l’eau souterraine avec un charge de l’eau de surface et une combinaison des deux. Les relations entre la disponibilité de l’eau et les revenus agricoles sont analysées en détail. L’article conclut que la tarification de l’eau souterraine est un meilleur choix par rapport à un système de tarification mutuelle de l’eau de surface et de l’eau souterraine. Non seulement la tarification de l’eau de surface n’atteindrait pas le but de conservation des ressources mais aussi imposerait des charges financières plus lourdes aux agriculteurs.<br /> Dans le troisième article (Chapitre 6), l’approche conjonctive est approfondie pour prendre en compte les aspects liés à la qualité de l’eau comme une contrainte importante sur le rendement des cultures. Les analyses de sensibilité sont appliquées pour distinguer l’effet de la pénurie d’eau avec l’effet de la qualité de l’eau.<br /> Dans le denier article en Chapitre 7, l’impact des changements climatiques sur les revenus a été évalué avec une simulation aléatoire des afflux d’eau. Cela était nécessaire en vue de capturer la nature aléatoire de la disponibilité des eaux de surface. La distribution des afflux d’eau est estimée à la base de donnés historique aussi que pour les donnés des changements climatiques. Avec les simulations Monte Carlo les impacts sur les revenus agricoles ainsi que la disponibilité de l’eau sont analysées pour la présente et le futur. La valeur de stabilisation de l’eau souterraine est dérivée pour chaque scénario.<br /> À la fin de la thèse les premiers éléments sont résumés et des recommandations pour la recherche dans le futur sont données.